CN104210674A - 一种空间飞行器自主感应起飞方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间飞行器自主感应起飞方法，该方法采用空间飞行器自身携带的惯性器件(加速度计或陀螺)敏感运载火箭起飞时刻的过载或滚转运动，并针对惯性器件所处位置的起飞力学环境，判断是否满足起飞条件。本发明在运载火箭不提供起飞触点的情况下实现飞行器的自主感应起飞，具有一定的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间飞行器自主感应起飞方法，可用于空间飞行器自主感应运载火箭起飞时刻，属于空间飞行器导航领域。
背景技术
近年来，随着近地空间开发的门槛降低以及运载火箭富余运载能力增加，越来越多的空间飞行器搭载运载火箭执行飞行任务。在起飞过程中，运载火箭可以为搭载空间飞行器提供起飞触点信号，但也有可能出现在确保主任务的安全性的情况下不提供起飞信号的情况。随着搭载飞行器任务多样化的增加，需要精确得到起飞时刻才能进行主动段导航以及正确执行后续时序动作时，无法得到起飞信号或敏感起飞信号的提前或延时，都将会对正确执行任务造成影响。目前飞行器起飞设计主要集中于航空领域，在航天领域搭载飞行器自主感应起飞的应用尚没有成熟的经验可借鉴。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种空间飞行器自主感应起飞方法，能够精确得到空间飞行器的起飞时刻。
本发明的技术解决方案是：一种空间飞行器自主感应起飞方法，包括如下步骤：
(1)空间飞行器根据运载火箭理论起飞过载曲线和起飞时刻确定运载火箭箭体起飞方向的视加速度过载门限，根据运载火箭起飞过程中的滚转运动曲线和起飞时刻确定运载火箭箭体起飞方向的滚转角速度门限；
(2)运载火箭起飞过程中，空间飞行器通过加速度计实时采集运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度；
(3)运载火箭起飞过程中，空间飞行器通过陀螺实时采集运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度；
(4)空间飞行器根据步骤(1)和(2)得到的运载火箭箭体起飞方向的视加速度过载门限和运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度判断是否满足过载起飞条件；
(5)空间飞行器根据步骤(1)和(3)得到的运载火箭箭体起飞方向的滚转角速度门限和运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度判断是否满足滚转起飞条件；
(6)如果空间飞行器满足过载起飞条件或滚转起飞条件，则空间飞行器实现自主感应起飞；如果空间飞行器既不满足过载起飞条件，也不满足滚转起飞条件，则空间飞行器不起飞。
所述步骤(4)的实现方式为：
(2.1)空间飞行器对加速度计采集得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度进行滤波处理；
(2.2)空间飞行器将步骤(2.1)滤波处理后得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度与视加速度过载门限进行比较，当有n次滤波处理后的结果大于视加速度过载门限时，则满足过载起飞条件，n∈[5,100]，判断结束；否则进入步骤(2.3)
(2.3)重复步骤(2.1)和(2.2)，直到任务结束。
所述步骤(5)的实现方式为：
(3.1)空间飞行器对陀螺采集得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度进行滤波处理；
(3.2)空间飞行器将步骤(3.1)滤波处理后得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度与滚转角速度门限进行比较，当有m次滤波处理后的结果大于滚转角速度门限时，则满足滚转起飞条件，m∈[5,100]，判断结束；否则进入步骤(3.3)；
(3.3)重复步骤(3.1)和(3.2)，直到任务结束。
所述步骤(2.1)中，空间飞行器利用公式对加速度计采集的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度进行滤波处理，其中Ax1i为加速度计第i次采集得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度，为当前时刻滤波处理后的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度，Num1为滤波数据的个数。
所述步骤(3.1)中，空间飞行器利用公式对陀螺采集的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度进行滤波处理，其中ωx1i为陀螺第i次采集得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度，为当前时刻滤波处理后的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度，Num为滤波数据的个数。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明通过空间飞行器自身携带的惯性器件(加速度计或陀螺)敏感起飞，无需运载火箭提供起飞触点信号，从而脱离了运载火箭的限制；
(2)本发明采用针对火箭起飞环境的滤波算法，减小火箭发动机复杂振动带来的影响，提高起飞判断的精度，感应起飞精度可达百毫秒量级；
(3)本发明可根据空间飞行器的实际情况将自主感应起飞的过载条件、滚转条件单独或者组合使用，当使用者注重减小误判可能性、提高系统冗余度时可采用两者组合使用的方式，当使用者注重提高起飞精度时可采用两者择一使用的方式，具有较强的灵活性。
附图说明
图1为空间飞行器判断是否满足过载起飞条件的流程图；
图2为空间飞行器判断是否满足滚转起飞条件的流程图。
具体实施方式
空间飞行器自主感应起飞方法的难点在于如何在运载火箭起飞前后复杂的振动环境下，通过自身携带的加速度计或陀螺精确、可靠的敏感起飞时刻。
本发明提出的空间飞行器自主感应起飞方法，采用飞行器自身携带的惯性器件(加速度计或陀螺)敏感运载火箭起飞时刻的过载或滚转运动，并针对惯性器件所处位置的起飞力学环境，采用滤波算法，减小运载火箭发动机点火后复杂振动带来的影响，感应起飞精度可达百毫秒量级。
如图1所示为空间飞行器判断是否满足过载起飞条件的流程图，图2为空间飞行器判断是否满足滚转起飞条件的流程图。结合图1和图2，本发明空间飞行器自主感应起飞方法的流程如下：
(1)空间飞行器根据所搭载的运载火箭理论起飞过载曲线和起飞时刻确定运载火箭箭体起飞方向的视加速度过载门限，空间飞行器根据相同型号的运载火箭历次起飞过程中的滚转运动曲线和起飞时刻确定所搭载的运载火箭箭体起飞方向的滚转角速度门限；
(2)运载火箭起飞过程中，空间飞行器通过加速度计实时采集运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度；
(3)运载火箭起飞过程中，空间飞行器通过陀螺实时采集运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度；
(4)空间飞行器根据步骤(1)和(2)得到的运载火箭箭体起飞方向的视加速度过载门限和运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度判断是否满足过载起飞条件；
判断步骤如下：
(4.1)空间飞行器对加速度计采集得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度进行滤波处理；
空间飞行器利用公式对加速度计采集的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度进行滤波处理，其中Ax1i为加速度计第i次采集得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度，为当前时刻滤波处理后的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度，Num1为滤波次数，x表示运载火箭箭体起飞方向；
(4.2)空间飞行器将步骤(4.1)滤波处理后得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度与运载火箭箭体起飞方向的视加速度过载门限进行比较，当有n次滤波处理后的结果大于视加速度过载门限时，则满足过载起飞条件，n∈[5,100]，判断结束；否则进入步骤(4.3)；
(4.3)重复步骤(4.1)和(4.2)，直到任务结束。
(5)空间飞行器根据步骤(1)和(3)得到的运载火箭箭体起飞方向的滚转角速度门限和运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度判断是否满足滚转起飞条件；
判断步骤如下：
(5.1)空间飞行器对陀螺采集得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度数据进行滤波处理；
空间飞行器利用公式对陀螺采集的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度进行滤波处理，其中ωx1i为陀螺第i次采集得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度，为当前时刻滤波处理后的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度，Num为滤波次数，x表示运载火箭箭体起飞方向；
(5.2)空间飞行器将步骤(5.1)滤波处理后得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度与运载火箭箭体起飞方向的滚转角速度门限进行比较，当有m次滤波处理后的结果大于滚转角速度门限时，则满足滚转起飞条件，m∈[5,100]，判断结束；否则进入步骤(5.3)；
(5.3)重复步骤(5.1)和(5.2)，直到任务结束。
(6)如果空间飞行器满足过载起飞条件或滚转起飞条件之一或同时满足过载起飞条件和滚转起飞条件时，空间飞行器实现自主感应起飞；如果空间飞行器既不满足过载起飞条件，也不满足滚转起飞条件，则空间飞行器不起飞。
实施例：
(1)空间飞行器根据所搭载的运载火箭理论起飞过载曲线和起飞时刻确定运载火箭箭体起飞方向的视加速度过载门限，空间飞行器根据相同型号的运载火箭历次起飞过程中的滚转运动曲线和起飞时刻确定所搭载的运载火箭箭体起飞方向的滚转角速度门限；
以某型运载火箭为例，根据其起飞过载曲线和起飞时刻确定运载火箭箭体起飞方向的视加速度过载门限为1.1g；根据其起飞滚转运动和起飞时刻确定运载火箭箭体起飞方向的滚转角速度门限为1.5°/s。
(2)运载火箭起飞过程中，空间飞行器通过加速度计实时采集运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度Ax1i；
(3)运载火箭起飞过程中，空间飞行器通过陀螺实时采集运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度ωx1i；
(4)空间飞行器根据步骤(1)和(2)得到的运载火箭箭体起飞方向的视加速度过载门限和运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度判断是否满足过载起飞条件；
判断步骤如下：
(4.1)空间飞行器对加速度计采集得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度进行滤波处理；
空间飞行器利用公式对加速度计采集的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度进行滤波处理，其中Ax1i为加速度计第i次采集得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度，为当前时刻滤波处理后的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度，Num1为滤波次数。
(4.2)空间飞行器将步骤(4.1)滤波处理后得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度与视加速度过载门限1.1g进行比较，当有20次滤波处理后的采集结果大于视加速度过载门限时，则满足过载起飞条件，判断结束；否则进入步骤(4.3)；
(4.3)重复步骤(4.1)和(4.2)，直到任务结束。
(5)空间飞行器根据步骤(1)和(3)得到的运载火箭箭体起飞方向的滚转角速度门限和运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度判断是否满足滚转起飞条件；
判断步骤如下：
(5.1)空间飞行器对陀螺采集得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度数据进行滤波处理；
空间飞行器利用公式对陀螺采集的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度进行滤波处理，其中ωx1i为陀螺第i次采集得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度，为当前时刻滤波处理后的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度，Num为滤波次数。
(5.2)空间飞行器将步骤(5.1)滤波处理后得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度与运载火箭滚转角速度门限1.5°/s进行比较，当有5次滤波处理后的采集结果大于滚转角速度门限时，则满足滚转起飞条件，判断结束；否则进入步骤(5.3)；
(5.3)重复步骤(5.1)和(5.2)，直到任务结束。
(6)如果空间飞行器满足过载起飞条件或滚转起飞条件，则空间飞行器实现自主感应起飞；如果空间飞行器既不满足过载起飞条件，也不满足滚转起飞条件，则空间飞行器不起飞。
本发明可根据空间飞行器的实际情况将自主感应起飞的过载起飞条件、滚转起飞条件单独或者组合使用。当使用者注重提高起飞精度时可采用过载起飞条件和滚转起飞条件两者择一使用的方式(即只要有一个条件满足，空间飞行器即可起飞)。当使用者注重减小误判可能性、提高系统冗余度时可采用过载起飞条件和滚转起飞条件两者组合使用的方式(即只有同时满足过载起飞条件和滚转起飞条件，空间飞行器才可起飞)。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (5)
1.一种空间飞行器自主感应起飞方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)空间飞行器根据运载火箭理论起飞过载曲线和起飞时刻确定运载火箭箭体起飞方向的视加速度过载门限，根据运载火箭起飞过程中的滚转运动曲线和起飞时刻确定运载火箭箭体起飞方向的滚转角速度门限；
(2)运载火箭起飞过程中，空间飞行器通过加速度计实时采集运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度；
(3)运载火箭起飞过程中，空间飞行器通过陀螺实时采集运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度；
(4)空间飞行器根据步骤(1)和(2)得到的运载火箭箭体起飞方向的视加速度过载门限和运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度判断是否满足过载起飞条件；
(5)空间飞行器根据步骤(1)和(3)得到的运载火箭箭体起飞方向的滚转角速度门限和运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度判断是否满足滚转起飞条件；
(6)如果空间飞行器满足过载起飞条件或滚转起飞条件，则空间飞行器实现自主感应起飞；如果空间飞行器既不满足过载起飞条件，也不满足滚转起飞条件，则空间飞行器不起飞。
2.根据权利要求1所述的一种空间飞行器自主感应起飞方法，其特征在于：所述步骤(4)的实现方式为：
(2.1)空间飞行器对加速度计采集得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度进行滤波处理；
(2.2)空间飞行器将步骤(2.1)滤波处理后得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度与视加速度过载门限进行比较，当有n次滤波处理后的结果大于视加速度过载门限时，则满足过载起飞条件，n∈[5,100]，判断结束；否则进入步骤(2.3)；
(2.3)重复步骤(2.1)和(2.2)，直到任务结束。
3.根据权利要求1所述的一种空间飞行器自主感应起飞方法，其特征在于：所述步骤(5)的实现方式为：
(3.1)空间飞行器对陀螺采集得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度进行滤波处理；
(3.2)空间飞行器将步骤(3.1)滤波处理后得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度与滚转角速度门限进行比较，当有m次滤波处理后的结果大于滚转角速度门限时，则满足滚转起飞条件，m∈[5,100]，判断结束；否则进入步骤(3.3)；
(3.3)重复步骤(3.1)和(3.2)，直到任务结束。
4.根据权利要求2所述的一种空间飞行器自主感应起飞方法，其特征在于：所述步骤(2.1)中，空间飞行器利用公式对加速度计采集的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度进行滤波处理，其中Ax1i为加速度计第i次采集得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度，为当前时刻滤波处理后的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的视加速度，Num1为滤波数据的个数。
5.根据权利要求3所述的一种空间飞行器自主感应起飞方法，其特征在于：所述步骤(3.1)中，空间飞行器利用公式对陀螺采集的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度进行滤波处理，其中ωx1i为陀螺第i次采集得到的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度，为当前时刻滤波处理后的运载火箭起飞过程中箭体起飞方向的滚转角速度，Num为滤波数据的个数。
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| GR01 | Patent grant |